SER5 (Волоконно-оптическая линия связи)

АИМ - 2

компаратор

О.С. А

ВХОД

О.С. В

Строб. К

Схема ввода

сигнала контроля и коррекции нуля

Устройство коррекции нуля

ПТ1

ПТ2

d d

ПКТ

Схема формирования знака

d

d

Логика реверса

Регистр управления

Дешифратор

УК7 УК0

d2 - d4

Формирователь выходного сигнала

СИГНАЛ КОДЕРА

Р ис. 9.

в УО

6. ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПОВ КОДИРОВАНИЯ И

ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ КОДЕРА

6.1ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ИКМ И ПРОЦЕСС КОДИРОВАНИЯ В НЕЛИНЕЙНЫХ КОДЕРАХ.

В цифровых системах передачи аналоговые сигналы преобразуются с помощью аналого-цифровых преобразователей ( АЦП ) в цифровую последовательность импульсов двоичного кода. На приемном конце для воспроизведения исходных сигналов производится обратное цифро-аналоговое преобразование ( ЦАП ). Передача сигналов в цифровом виде определяет высокую помехоустойчивость цифровых систем передачи. Преобразование в цифровой вид может быть обеспечено импульсно - кодовой модуляцией ( ИКМ ), дельта - модуляцией ( ДМ ) и их модификациями. При ИКМ кодовыми группами двоичного кода кодируются отсчетные значения аналогового сигнала. В соответствии с этим ИКМ осуществляется в следующем порядке: дискретизация аналогового сигнала во времени, квантование по уровню отсчетных значений сигнала и их кодирование. Квантование и кодирование осуществляется в одном функциональном узле, называемом кодером.

Временная дискретизация представляет собой амплитудную модуляцию импульсной последовательности входным аналоговым сигналом. Различают амплитудно- импульсную модуляцию первого ( АИМ-1 ) и второго ( АИМ-2 ) родов. При АИМ-1 амплитуда импульсов ( отсчетов ), следующих с частотой дискретизации fд, изменяется в соответствии с изменением входного сигнала. При АИМ-2 амплитуда каждого отсчета равна значению входного сигнала в момент отсчета (рис. 5)

Для изменения погрешности амплитудного квантования значения отсчета в процессе квантования должно оставаться постоянным. Поэтому при импульсно - кодовой модуляции используется АИМ-2.

f(t) f(t)

АИМ-1 t АИМ-2 t

рис. 5. Сигналы АИМ-1 и АИМ-2.

Для восстановления исходного сигнала из последовательности отсчетов их нужно пропустить через фильтр нижних частот среза, соответствующей fв. Исходный сигнал будет выделен из последовательности отсчетов, если боковые полосы не накладываются друг на друга. Для этого нужно, чтобы было выполнено условие:

fд  2fв ( 6.1 )

Это условие соответствует теореме Котельникова-Шеннона:

Непрерывный сигнал, ограниченный по спектру частотой fв, может быть восстановлен без искажений из последовательности дискретных отсчетов этого сигнала, если частота дискретизации fд по крайней мере в 2 раза выше наибольшей частоты fв, содержащейся в спектре исходного сигнала. Исходный аналоговый сигнал не имеет четкой верхней граничной частоты, поэтому перед дискретизацией производится ограничение спектра исходного сигнала.

В настоящем проекте в аппаратуре ИКМ - 120, предназначенной для организации каналов ТЧ, частота fв равна 3400 Гц. Тогда обращаясь к выше описанному по теореме Котельникова частота дискретизации 6800Гц

Для упрощения фильтров ограничивающих спектр fд берется больше чем 2fв. Для канала ТЧ по МККТТ значение fд берется 8000 Гц.

Квантование сигнала с линейной шкалой характеристики не позволяет , получить высокое качество передачи сигнала с малой амплитудой. Поэтому в системах с ИКМ - ВРК квантование с линейной шкалой не применяется.

В системах ИКМ - ВРК вместо плавной амплитудной характеристики, которую имеют аналоговые компандеры , применяют сегментные характеристики. Они представляют собой кусочно-ломанную опроксимацию плавных характеристик, при которой изменение крутизны происходит дискретными ступенями. Наибольшее распространение получила сегментная характеристика компандирования типа А-87,6 / 13, где аппроксимация логарифмической характеристики производится по так называемому А- закону:

 (А | Iвх / Imax |) / (1+LnА) при | Iвх / Imax |  1/А Iвых / Imax 

 (1+Ln(A | Iвх / Imax |)) / (1+LnA) при 1/А  |Iвх/Imax|  1 (6.2)

Здесь А- коэффициент компрессии, равный 87,6 , а сама характеристика строится из 13 сегментов ( рис.6 ). Эта характеристика содержит в положительной области сегменты С1,С2,С3…,С8, находящиеся между точками

0-1,1-2,2-3,…,7-8.

Аналогичным образом строится характеристика для отрицательной области значений входного сигнала. Четыре центральных сегмента (два в положительной и два в отрицательных областях) объединяются в один центральный сегмент, поэтому общее число сегментов на двухполярной характеристике равно 13. Каждый из 16 сегментов характеристики содержит по 16 шагов (уровней) квантования, а общее число уровней равно 256, из них 128 положительных и 128 отрицательных.

Iвых / Imax

9 28 ( 2048)

C8

1 12 7(1024)

C7

9 6 6(512)

8 9 С6

8 0 5(256)

С5

6 4 4(128)

С4

4 8 3(64)

С3

3 2 2(32)

С2

1 6 1(16)

С1

0,125 Im 0,25 0,5 1 Iвх

0,062 Imax

0,031

0,016

0,008

Рис. 6. Характеристика типа А-87,6 / 13

Каждый сегмент, начиная с определенного эталона, называемого основным (рис.6). Шаг квантования внутри каждого сегмента равномерный, а при переходе от одного к другому сегменту изменяется в 2 раза, начиная с центрального сегмента, куда входят С1 иС2. Значения основных и дополнительных эталонов, шагов квантования даны в

табл. ( 1 ).

Таблица 1.

номер кодовая эталонные сигналы шаг эталонные

сегмен- комбинация квантова- сигналы

та номера основ- ния коррекции

сегмента ной дополнительные

1 000  8 4 2 1 1 0,5

2 001 16 8 4 2 1 1 0,5

3 010 32 16 8 4 2 2 1

4 011 64 32 16 8 4 4 2

5 100 128 64 32 16 8 8 4

6 101 256 128 64 32 16 16 8

7 110 512 256 128 64 32 32 16

8 111 1024 512 256 128 64 64 32

Все эталонные значения в табл.( 1 ) даны у.е. по отношению к значению минимального шага квантования. Сочетание дополнительных эталонов получает получить любой из 16 уровней квантования в данном сегменте. При изменении шага квантования изменяется крутизна характеристики. Четыре центральных сегмента имеют одинаковую крутизну и равные шаги квантования. При таком построении характеристики минимальный шаг квантования min имеют сегменты С1 и С2 а max - сегмент C8 причем отношение max / min составляет 2 или 64. Это значение примерно характеризует параметр сжатия для сегментной характеристики компандирования, или параметр А. Точное значение этого параметра для непрерывной характеристики типа А определяется из выражения:

А(1+LnА)=2 c - (1/nс) ( 6.2 )

и при числе сегментов nс=8 значение А=87,6

Кодирование

Телефонные сигналы, при их дискретизации получают последовательность разнополярных импульсов. Для кодирования разнополярных импульсов используют симметричный двоичный код рис.(7).

4

3

2

1

0

-1

- 2

- 3

- 4

рис. 6. ИКМ при симметричном коде

Достоинством симметричного двоичного кода является возможность его реализации с помощью простых кодеров, а недостатком - сравнительно низкая помехозащищенность, так как при различном весе разрядов пропадание полного импульса с большим весом приводит к большим искажениям.

Удобным графическим изображением кодов являются кодовые таблицы, характеризующие связь между числом уровней квантования и соответствующими кодовыми комбинациями рис.(6). Каждая строка табл.(1) определяет вид кодовой комбинации, соответствующей числу шагов квантования и полярности импульса квантованного АИМ сигнала.

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

+0

+1

+2

+3

+4

+5

+6

рис. 6. Кодовая таблица симметричного двоичного кода.

Заштрихованная клетка соответствует 1 в данном разряде, не заштрихованная - 0.

Двоичные коды по времени их появления разделяют на параллельные, если сигналы кодовой группы появляются одновременно, и последовательные, если сигналы кодовой группы появляются последовательно во времени, разряд за разрядом.

6.2 ОСОБЕННОСТИ ЭТАПОВ КОДИРОВАНИЯ ПРИ НЕЛИНЕЙНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ КВАНТОВАНИЯ.

В случае сегментной характеристики компрессии типа А-87,6

для кодирования абсолютных величин отсчетов необходимо 11 эталонов с условными весами 2 ,2 ,2 ,…,2 у.е., или 1,2,4,…,1024 у.е. При нелинейном кодировании для обеспечения защищенности Акв  25 дБ требуется 128 положительных и 128 отрицательных уровней, а кодовая группа 8 - разрядная.

Кодирование осуществляется за восемь тактов и включает три основных этапа: 1 - определение и кодирование полярности входного сигнала, 2 - определение и кодирование номера сегмента узла, в котором заключен кодируемый отсчет, 3 - определение и кодирование номера уровня квантования сегмента, в зоне которого заключена амплитуда кодируемого отсчета. Первый этап осуществляется за 1-й такт, второй этап за

2…4-й такты, третий этап за 5…8-й такты кодирования.